多晶金刚石复合坯块制造技术

一种多晶金刚石(PCD)复合坯块元件(100)，其包括基体(130)、结合到基体(130)上的PCD结构(120)以及将PCD结构(120)结合到基体(130)上的结合层(140)形式的结合材料；PCD结构(120)是热稳定的并具有最少约800GPa的平均杨式模量；PCD结构(120)具有最少约0.05微米、最多约1.5微米的间隙平均自由程；平均自由程的标准偏差最少约0.05微米并且最多约1.5微米。PCD复合坯块元件的实施例可以用在用于切割、铣磨、研磨、钻孔、钻地、钻岩或其他耐磨应用的工具中，例如金属的切割和机加工。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括PCD结构的多晶金刚石(PCD)复合坯块元件，具体地但不是专有地用于岩石钻具，本专利技术还涉及包括所述元件的工具。
技术介绍
多晶金刚石(pro)是超硬的、也被称为是超耐磨的材料，其包括大量交互生长的金刚石晶粒和位于金刚石晶粒之间的间隙。可以通过使大量聚合的金刚石晶粒经受超高压和超高温来制造PCD。将完全或部分填充该间隙的材料称为填充物材料。可以在存在烧结助剂、例如钴的情况下形成PCD，烧结助剂能够促进金刚石晶粒的交互生长。烧结助剂可以被称为用于金刚石的溶剂/催化剂材料，因为其功能为将金刚石溶解到一定程度并催化金 刚石再次析出。用于金刚石的溶剂/催化剂被理解为是这样ー种材料，其在金刚石热力学稳定的压カ和温度下能够促进金刚石生长或者金刚石晶粒之间的金刚石与金刚石的直接交互生长。因此，剰余的溶剂/催化剂材料完全或部分填充位于烧结的PCD产品内的间隙。PCD可以形成在钴钨硬质合金基体上，该基体可以为PCD提供钴溶剂/催化剂来源。PCD可以被广泛应用在用于切割、机加工、钻孔或者分解硬质或耐磨材料的工具中，所述硬质或耐磨材料例如为岩石、金属、陶瓷、复合材料以及含木质的材料(wood-containing materials)等。例如,可以将PO)元件用作钻头上的刀具元件,所述钻头在石油和天然气钻井エ业中用于钻入地面。在许多这种应用中，当PCD材料开始切削岩层时，PCD材料的温度会升高，エ件或机身具有高能量。不幸的是，PCD的力学性质，例如硬度和強度，在高温时会趋于恶化，这主要是由分散在其内部的剰余溶剤/催化剂材料造成的。公开号为W09929465的PCT专利论述了钻削硬质岩石和处理高井眼温度梯度是钻井エ业中长久存在的问题。现有技术的TSP金刚石刀具连接エ艺是将热稳定的多晶金刚石(TSP金刚石)铜焊到硬质合金基体上。然而，TSP铜焊方法所使用的TiCuSil合金导致了邻近TSP金刚石表面的不期望的TiC非连续层。只有在TSP表面上形成薄的反应物连续层(也就是完全润湿)才能实现最大強度性能。7，377，341号美国专利论述了，基本无溶剂催化剂材料的P⑶主体不能通过铜焊或者其他类似结合操作而随后连接到金属基片上。非常需要这样将基体连接到P⑶主体上从而提供PCD坯块元件，其简单地适于在许多期望的应用中使用。然而，难于将热稳定的PCD主体结合到常规使用的基体上。因为，常规形成的热稳定PCD主体缺少金属基体，所以无法通过常规的铜焊エ艺将它们连接到钻头上。此外，在钻井应用中使用这种热稳定的PCD主体需要在制造钻头期间通过机械配合或过盈配合将PCD主体本身安装到钻头上，这耗费大量人力，消耗时间，并且其不会提供最牢固的连接方法。7，435，377号美国专利论述到，可以通过铜焊将多晶金刚石(POT)和其他超硬材料加入到支承体上。然而，铜焊的缺点是会对PCD产品产生潜在的热损伤，这在过去是个限制因素。7，487，849号美国专利讨论到，因为TSP(热稳定产品)是通过从金刚石层移除钴制得的，所以与将PDC连接到基体上相比，将TSP连接到基体上更加困难。7，533，740号美国专利公开了ー种刀具元件，其包括通过铜焊结合到碳化钨基体上的TSP材料(本专利使用如7，234，550号和7，426，696号的美国专利中所描述的术语“TSP”，上述两专利使用术语“TSP”来表示“热稳定产品”，包括部分和完全浸出的多晶金刚石化合物)。公开号为2008/0085407的美国专利公开了ー种超耐磨坯块元件，其中超耐磨体积包括可以被铜焊、锡焊(soldered)、熔焊(welded)(包括摩擦焊接或惯性焊接)或者另外被固定到基体上的碳化钨层。存在对PCD复合坯块元件、尤其是热稳定PCD元件的需求，其具有优越的力学性质。
技术实现思路
本专利技术一方面提供了一种多晶体金刚石(POT)复合坯块元件，其包括基体、结合到基体上的PCD结构以及将PCD结构结合到基体上的结合材料；该PCD结构是热稳定的并且具有至少约800GPa、至少约850GPa或至少约870GPa的平均杨式模量，该P⑶结构具有至少约0. 05微米和最多约I. 5微米的间隙平均自由程；平均自由程的标准偏差为最少约0. 05微米和最多约I. 5微米。本专利技术的实施例提供了ー种PCD复合坯块元件，其包括通过结合材料而结合到基体上的P⑶结构；该P⑶结构是热稳定的并具有至少约800GPa、至少约850GPa或者至少约870GPa的平均杨式模量，以及大于约60%或者大于60. 5%的平均金刚石晶粒邻接度。在本专利技术的一个实施例中，结合材料可以包括用于连接陶瓷材料的环氧材料。在本专利技术的一个实施例中，可以将PCD结构铜焊到基体上，结合材料是位于PCD结构和基体之间的铜焊层形式的铜焊合金。在本专利技术的一个实施例中，铜焊合金可以具有熔解起始温度，在这个温度合金开始熔解，熔解起始温度最高约1，050°C、最高约950°C、最高约900°C或者甚至最高约850°C，并且可以包含至少ー种选自由Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W和Re构成的组的元素。在一些实施例中，铜焊合金可以包含Ti和Ag，或者Ti和Cu。本专利技术的ー个方面提供了ー种P⑶复合坯块元件，其包括借助于铜焊层而结合到基体上的PCD结构，其中铜焊层包括铜焊材料；该PCD结构是热稳定的并且包含铜焊材料。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以在形成在其边界处的孔隙、裂隙或不规则结构内包含铜焊合金材料。在一个实施例中，通过例如酸处理移除位于金刚石晶粒间的填充物材料，可以在PCD结构边界处形成孔隙、裂隙或者不规则结构。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以具有至少约800GPa、至少约850GPa或者至少约870GPa的平均杨式模量。在本专利技术的一个实施例中，P⑶结构可以包含距离界面或者边界至少约两微米深的铜焊合金材料，所述界面或者边界例如为具有铜焊层或具有基体的界面。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以包含距离具有铜焊层的界面一定深度的铜焊材料，所述深度在大约2微米至约1000微米范围内、在大约2微米至约25微米范围内或者在大约5微米至约15微米范围内。在一个实施例中，PCD结构可以在基本整个PCD结构范围内包含铜焊材料。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以具有在大约0. 05微米至大约I. 3微米内、在大约0. I微米至大约I微米内或者在大约0. 5微米至大约I微米内的间隙平均自由程；并且该平均自由程的标准偏差可以在大约0. 05微米至大约I. 5微米的范围内或者在大约0. 2微米至大约I微米的范围内。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以具有至少约60%、在60. 5%至大约80%的范围内、在60. 5%至大约77%的范围内或者在61. 5%至大约77%的范围内的平均金刚石晶粒邻接度。在本专利技术的一个实施例中，PCD结构可以具有最多约80%的平均金刚石晶粒邻接度。在本专利技术的一些实施例中，P⑶结构可以具有至少约900MPa、至少约950MPa、至少约lOOOMPa、至少约1050MPa或者甚至至少约IlOOMPa的横向断裂强度。 在本专利技术的一些实施例中，基体可以由硬质合金形成，例如钴钨硬质合金，或者基体可以包括PCD材料，或者基体可以是包括硬质合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.07.31 GB 0913304.2;2009.07.31 US 61/230,3161.ー种P⑶复合坯块元件，其包括基体、结合到所述基体上的P⑶结构以及将所述P⑶结构结合到所述基体上的结合材料；所述PCD结构是热稳定的并具有最少为SOOGPa的平均杨式模量，所述PCD结构具有最少为0. 05微米、最多为I. 5微米的间隙平均自由程；所述平均自由程的标准偏差最少为0. 05微米且最多为I. 5微米。2.如权利要求I所述的PCD复合坯块元件，其中，所述结合材料是在PCD结构和基体之间的铜焊层形式的铜焊合金。3.如权利要求2所述的PCD复合坯块元件，其中，所述铜焊合金具有最多为1050°C的熔解起始温度，并且包含选自由T i、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W和Re构成的组的至少ー种元素。4.如权利要求I所述的PCD复合坯块元件，其中，所述结合材料包括用于结合陶瓷材料的环氧材料。5.如前述任ー权利要求所述的PCD复合坯块元件，其中，所述基体包括PCD材料。6.如前述任ー权利要求所述的PCD复合坯块元件，其中，所述PCD结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼·尤金·斯科特，柯蒂斯·卡尔·施米茨，克莱门特·大卫·范德里特，奥森尼特·强，
申请(专利权)人：第六元素公司，贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：